Методическая статья

Разработка и осуществление заказ манипулятора робота для экстра телесной УЗИ

DOI:

10.3791/58811

⸱

7 января 2019 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1School of Biomedical Engineering & Imaging Sciences, King's College London, 2Xtronics Ltd, 3Department of Informatics, King's College London, 4Faculty of Science & Engineering, Queen Mary University of London

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Этот документ вводит при разработке и осуществлении заказ манипулятора робота для экстра телесной УЗИ. Система имеет пять степеней свободы с легкий суставов, сделанные 3D печати и механического сцепления для управления безопасностью.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

С потенциалом для высокой точности, ловкость и повторяемость, самостоятельно записанные робототехническая система может использоваться для оказания помощи на приобретение реального времени УЗИ. Однако ограниченное количество роботов для экстра телесной УЗИ были успешно переведены на клинического использования. В этом исследовании мы стремимся создать заказ робот манипулятор для экстра телесной УЗИ, который легкий и имеет небольшие размеры. Робот формируется пять специально формы ссылки и по индивидуальному заказу совместных механизмов для манипуляции зонд, чтобы покрыть необходимые диапазон движения с избыточным степеней свободы для обеспечения безопасности пациента. Механической безопасности подчеркивается с механизмом сцепления, ограничить усилие к пациентам. Результате дизайн общая масса манипулятора составляет менее 2 кг и манипулятора составляет около 25 см. Конструкция была выполнена и моделирование, Фантом и добровольцев исследования были проведены, чтобы проверить диапазон движения, способность сделать точную регулировку, механической надежности и безопасной эксплуатации сцепления. Этот документ подробно при разработке и осуществлении заказ роботизированной УЗИ манипулятора, с методами проектирования и монтажа, иллюстрированный. Представлены результаты тестирования для демонстрации возможности дизайна и клинический опыт использования системы. Сделан вывод, что текущий предлагаемых робот манипулятор отвечает требованиям как индивидуальные системы для экстра телесной УЗИ и имеет большой потенциал, чтобы быть переведены на клиническое применение.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Экстра телесной робот ультразвуковой (США) системы относится к конфигурации, в котором робототехническая система используется и манипулировать США зонд для внешних экзаменов, включая ее использование в брюшной изображений сердца, сосудов, акушерских и общие1 . Использование такой Робототехнические системы является мотивированным, задачи вручную Холдинг и манипулирования зондом США, к примеру, задача найти стандартные США представления необходимых клинических изображений протоколы и риск повторяющийся штамм травмы2, 3,4, а также потребности нас скрининговых программ, например, требование для опытных sonographers быть на месте5,6. С акценты на различных функций и целевых анатомией несколько роботизированных систем США, как указывалось в предыдущих работ1,,7,8, были введены с 1990 года, чтобы улучшить различные аспекты США экспертиза (например, междугородные teleoperation9,10,11,12, а также робот оператора взаимодействия и автоматического управления)13, 14. Помимо робототехнических систем США используется для диагностических целей, Роботизированная высокой интенсивности сосредоточены УЗИ (HIFU) систем для целей лечения широко исследованы, как их резюмировал Пристер et al. 1, с некоторых недавних работ15,16 докладов последних достижений.

Хотя с относительно надежных технологий для управления и клинической работы были разработаны несколько роботизированных систем в США, лишь немногие из них были успешно переведены на клинического применения, таких как коммерчески доступных теле ультразвуковая система 17. одной из возможных причин является низкий уровень признания для большого размера перспективных промышленных роботов, работающих в клинических условиях, с точки зрения как пациентов, так и sonographers. Кроме того для управления безопасностью, большинство существующих роботов США полагаются на силу датчики для мониторинга и контроля приложенное давление на штырь, США, в то время как более фундаментальных механизмов механической безопасности ограничить силу пассивно, как правило, не доступны . Это может также вызвать проблемы при переводе в клинической практике как безопасность эксплуатации робот будет зависеть чисто электрических систем и логику программного обеспечения.

С помощью последних достижений 3D печати методы, специально формы пластиковые ссылки с заказной совместных механизмов может предоставить новую возможность для разработки на заказ медицинские роботы. Тщательно разработанные легкие компоненты с более компактный вид может улучшить клинические признание. Специально для УЗИ заказ медицинского робота, направленных на переводится на клинического использования должен быть компактным, с достаточно степеней свободы (степени свободы) и диапазон движения для покрытия области интереса сканирования; например брюшной поверхности, включая как сверху и по бокам живота. Кроме того робот также должны включать возможность выполнять точную регулировку США зонда в локальной области, пытаясь оптимизировать представление США. Это обычно включает в себя наклона движения зонда в определенных пределах, как это было предложено Эссомба et al. 18 и19Bassit. Для дальнейшего решения проблемы безопасности, предполагается, что система должна иметь пассивной механической безопасности функции, которые являются независимыми от электрических систем и программного обеспечения логики.

В этой статье мы представляем подробное проектирование и сборка метод 5-DOF ловкие робот манипулятор, который используется в качестве ключевых компонентов экстра телесной Робототехнические системы США. Манипулятор состоит из нескольких легкий 3D-печати ссылки, по индивидуальному заказу совместных механизмов и встроенной безопасности сцепления. Конкретные договоренности о степени свободы обеспечивает полную гибкость для корректировки зонд, позволяя легко и безопасно операции в небольшой области без столкновений с пациентом. Манипулятор предлагаемого multi-DOF стремится работать как основной компонент, который поддерживает контакты с пациентами и он может быть просто присоединен к любой обычных 3-ФО глобального позиционирования механизм для формирования полного США робот с полностью активные ограничения степеней свободы для выполнения сканирования США.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Подготовка каждой ссылке, конец эффекторных и дополнительные компоненты

  1. Печатать все ссылки (L0, L1, L2,3L и L4) и конец эффекторов, как показано на рисунке 1, с Акрилонитрил бутадиен стирола (ABS) пластик, полимолочной кислоты (НОАК) пластик или нейлона, с использованием 3D-печати службы. Использование. STL файлов, входящих в Дополнительных материалов при печати.
    Примечание: Изменения в форме и масштабах каждой части могут быть сделаны на основе на предоставленных файлов. Внутренний профиль конце эффекторных могут быть изменены с учетом различных датчиков США.
  2. Печатать все необходимые дополнительные компоненты, как показано на рисунке 2 в нейлон, используя службу 3D-печати. Обратитесь к Таблице материалов для необходимое количество каждого компонента. Использование. STL файлов, входящих в Дополнительных материалов при печати.
  3. Польский всех печатных пластиковых деталей с полировки инструментов при необходимости. При необходимости удалите любые вспомогательные материалы слева от 3D печати.
    Примечание: Некоторые структуры в условии конца эффекторных дизайн для Датчик силы, которая не является частью протокола, сообщили здесь и не будет использоваться для сборки. Концепция дизайна датчик силы уже сообщалось в предыдущих работ20; Таким образом она не рассматривается в этом документе.

2. Ассамблея Объединенного 1

Примечание: Ассамблея Объединенного 1 (J1) основан на рисунке 3.

  1. Место четыре небольших, редукторный шаговых двигателей (с 20-зубы зубчатые колеса прилагается) в полости монтажа L0 и смонтировать их с помощью винтов.
  2. Поместите два 37 мм OD подшипников в подшипников L0 и закрепите 120-зубы шестерни шпоры (тип A) на ключ шестигранник L1.
  3. Вала на L1 вставьте вал отверстие на L0 с четырех небольших вождения зубчатые колеса и большой, инициативе spur gear занимается и собрать вала воротник, чтобы защитить и сохранить вала.

3. Ассамблея совместных 2

Примечание: Ассамблея совместных 2 (2J) основан на рисунке 4.

  1. Место четыре небольших, редукторный шаговых двигателей (с 20-зубы зубчатые колеса прилагается) в полости монтажа L1 и смонтировать их с помощью винтов.
  2. Прикрепите два 120-зубы зубчатые колеса (тип B) две 37-мм OD подшипников и положение их в полости передач L1, с 120-зубы шестерни шпоры (тип B) с 20-зубы зубчатые колеса смонтированы на двигатели. Отвинтите и повторно винт двигателя при необходимости позволяет легко позиционирования редуктор типа B два 120-зубы.
  3. Совместите L1 и2 Л и вставьте в отверстия сцепления L2подшипника и весенний бал пар. Два раунда сцепления выравнивание и толкая весной в механизм сцепления для предварительной загрузки вставьте болт M6 в отверстия L1 и2Л.
  4. Вращать Ассамблеи к другой стороне и повторите шаги в 3.3 для этой стороны. Закрепите Ассамблея, придавая гайка M6 Болт.

4. Ассамблея Объединенного 3

Примечание: Ассамблея совместного 3 (3J) основан на рисунке 5.

  1. Место два небольших, редукторный шаговых двигателей (с 20-зубы зубчатые колеса прилагается) в полости монтажа L2 и смонтировать их с помощью винтов.
  2. Место на 37 мм ОД подшипника в корпусе подшипника шестерни шпоры 120-зубы (тип C) и поместите на 32 мм ОД подшипника в корпусе подшипника L3.
  3. Обеспечить большой шестерни шпоры в замочную скважину шестигранник L3 (дополнительных винтов может использоваться при необходимости) и вставьте в отверстия на большой редуктор и L3, с малых и больших зубчатые колеса участвуют вала на L2 .

5. Ассамблея вождения механизма совместных 4

Примечание: Ассамблея совместного 4 (4J) основан на рисунке 6.

  1. Поместите два небольших, редукторный шаговых двигателей в полости монтажа L3 и смонтировать их с помощью винтов. Место 8 мм OD подшипников в подшипников Л4.
  2. Установите редуктор длиной 20-зубы на двух небольших шаговых двигателей.

6. Ассамблея ведомый механизм совместного 4 и 5 совместных

Примечание: Ассамблея совместного 4 (4J) основан на рисунке 6 и 5 совместных (5J) основывается на рисунке 7.

  1. Расположите ведомый 144 зубы конических снастей на экструзии Л4.
  2. Место два небольших, редукторный шаговых двигателей (с 18-зубы Конические шестерни прилагается) в полости монтажа L4 и смонтировать их с помощью винтов. Наконец вставьте M5 вала в отверстие вала3 L и L4 после того, как две ссылки выравниваются. Обеспечивать построен в структурах приводные шестерни на матчи4 L с длиной редуктор 20 зубов.
  3. Вставьте конец эффекторных в байонетном больших конических снастей и вертикально положение конца эффекторных с конца эффекторных воротник болтами на него.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

После протокола результирующая система является робот манипулятор с пяти специально формы ссылки (L0 L4) и пять отвернутым суставов (1 J J5) для перемещения, холдинг и локально наклона США зонд (рис. 8). Совместное Топ вращения (J-1), с механизмами передач, сработанный четырьмя двигателями, можно поворачивать следующие структуры 360 °, чтобы позволить США зонд указать сторону разные стороны области сканир...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

В отличие от многих других промышленных роботов, которые были переведены на медицинских приложений предлагаемых робот манипулятор, описано в протоколе был специально разработан для США экзамены согласно клиническим требованиям для диапазона движения, применение силы и управления безопасностью. Легкий робот манипулятор сам имеет широкий диапазон движений, достаточно для большинства экстра телесной США сканирование, без необходимости для большого движения механизма глобального позиционирования. Как ближайший механическую с...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы не имеют ничего сообщать.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Эта работа было поддержано Уэллком доверять IEH премии [102431] и Добро пожаловать/EPSRC центром медицинской техники [WT203148/Z/16/Z]. Авторы признают финансовую поддержку от Департамента здравоохранения через Национальный институт медицинских исследований (NIHR) всеобъемлющий центр биомедицинских исследований премии доверить парня и Сент-Томас NHS Фонд в партнерстве с королем в Колледж Лондона и Кингс колледж больницы NHS Фонд доверия.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Услуга 3D-печати L03D-печати1Как показано на рисунке 1, с предоставленным файлом STL
ссылка на 3D-печать L13D-печатьКак показано на рисунке 1, с предоставленным файлом STL
ссылка на 3D-печать L23D-печать 1Как показано на рисунке 1, с предоставленным файлом STL
ссылка на 3D-печать L33DПечать 1 Как показано на рисунке 1, с предоставленным STL-файлом
3D-печать ссылка L43Dпечать 1Как показано на рисунке 1, с предоставленным STL-файлом
3D-печатный конечный эффектор3D-печать 1Как показано на рисунке 1, с предоставленным файлом STL услуга
3D-печати20 зубьями прямозубого зубчатого колеса12модуль 0,5, ширина лица 5 мм, с монтажным шпоночным пазом, как показано на рисунке 2, с файлом STL предоставленная
услуга 3D-печатиконическим зубчатым колесом 18 зубьевмодулем 0,5 мм, шириной лица 5 мм, с монтажным шпоночным пазом, как показано на рисунке 2, с предоставленным файлом STL
120-зубчатый прямозубый зубчатый механизм (тип А)3D-печать услуга1Модуль 0,5, ширина торца 6 мм, с монтажным шпоночным пазом, корпусом подшипника и отверстием, как показано на рисунке 2, с файлом STL предоставлен
120-зубчатый цилиндрический зубчатый механизм (тип B)Услуга 3D-печати20,5 модуля, с шириной лица 6 мм, с фиксирующими отверстиями, корпусом подшипника и отверстием, как показано на рисунке 2, с предоставленным файлом STL
120-зубчатая прямозубая шестерня (тип C)3D-печать 1модуль 0,5, с шириной лица 6 мм, с монтажным ключом, корпусом подшипника и отверстием, как показано на рисунке 2, с файлом STL предоставлена
услуга 3D-печатишестерни длиной 20 зубьевширина лица 21,5 мм, с монтажными шпоночными пазами, как показано на рисунке 2, с файлом STL предоставлена
услуга 3D-печатис коническим зубчатым колесом 144 зубцамодуль 0,5, Ширина поверхности 7 мм, с монтажными шпоночными пазами, как показано на Иллюстрации 2, с предоставленным файлом STL
Подшипник (внешний диаметр 37 мм и внутренний диаметр 30 мм)Bearing Station Ltd., UK5Размер подшипника и поставщик могут быть изменены
Подшипник (внешний диаметр 12 мм и внутренний диаметр 6 мм)Bearing Station Ltd., UK2Размер подшипника и поставщик могут быть изменены
Подшипник (внешний диаметр 32 мм и внутренний диаметр 25 мм)Bearing Station Ltd., UK1Размер подшипника и поставщик могут быть различными
Подшипник (внешний диаметр 8 мм и внутренний диаметр 5 мм)Bearing Station Ltd., UK2Размер подшипника и поставщик могут быть различными
Пластиковый/металлический вал (внешний диаметр 6 мм, длина 70 мм)TR Fastenings Ltd., UK1например, может быть болт M6 и гайка
Пластиковый/металлический вал (внешний диаметр 5 мм, длина 70 мм)TR Fastenings Ltd., UK1например, может быть болт M5 и гайка
Пары шар-пружинаWDS Ltd., UK4Количество пар шар-пружина может варьироваться для регулировки усилия срабатывания сцепления
Чехлыуслуга 3D-печати2104 мм Внешний диаметр, ширина лица 5 мм, диаметр отверстия 6 мм, как показано на рисунке 2, с предоставленным файлом STL
3D-печатным усилителем вала3D-печати1 Внешний диаметр 35 мм и внутренний диаметр 30 мм, ширина поверхности 8 мм, как показано на рисунке 2, с файлом STL предоставленная
услуга 3D-печати торцевого воротника1Как показано на рисунке 2, с предоставленным файлом STL
Малые шаговые двигатели с редукторомAOLONG TECHNOLOGY Ltd., Китай14Номер по каталогу: GM15BYS; Внутреннее передаточное число 232:1 или 150:1, все приемлемо
1 с с 2 цилиндрической, , 1 сцепления услуга

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Priester, A. M., Natarajan, S., Culjat, M. O. Robotic ultrasound systems in medicine. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 60 (3), 507-523 (2013).
  2. Magnavita, N., Bevilacqua, L., Mirk, P., Fileni, A., Castellino, N. Work-related musculoskeletal complaints in sonologists. Journal of Occupational and Environmental Medicine. 41 (11), 981-988 (1999).
  3. Jakes, C. Sonographers and Occupational Overuse Syndrome: Cause, Effect, and Solutions. Journal of Diagnostic Medical Sonography. 17 (6), 312-320 (2001).
  4. Society of Diagnostic Medical Sonography. Industry Standards for the Prevention of Work-Related Musculoskeletal Disorders in Sonography: Consensus Conference on Work-Related Musculoskeletal Disorders in Sonography. Journal of Diagnostic Medical Sonography. 27 (1), 14-18 (2011).
  5. LaGrone, L. N., Sadasivam, V., Kushner, A. L., Groen, R. S. A review of training opportunities for ultrasonography in low and middle income countries. Tropical Medicine & International Health. 17 (7), 808-819 (2012).
  6. Shah, S., et al. Perceived barriers in the use of ultrasound in developing countries. Critical Ultrasound Journal. 7 (1), 28(2015).
  7. Swerdlow, D. R., Cleary, K., Wilson, E., Azizi-Koutenaei, B., Monfaredi, R. Robotic Arm–Assisted Sonography: Review of Technical Developments and Potential Clinical Applications. American Journal of Roentgenology. 208 (4), 733-738 (2017).
  8. Nouaille, L., Laribi, M., Nelson, C., Zeghloul, S., Poisson, G. Review of Kinematics for Minimally Invasive Surgery and Tele-Echography Robots. Journal of Medical Devices. 11 (4), 040802(2017).
  9. Georgescu, M., Sacccomandi, A., Baudron, B., Arbeille, P. L. Remote sonography in routine clinical practice between two isolated medical centers and the university hospital using a robotic arm: a 1-year study. Telemedicine and e-Health. 22 (4), 276-281 (2016).
  10. Arbeille, P., et al. Use of a robotic arm to perform remote abdominal telesonography. American Journal of Roentgenology. 188 (4), W317-W322 (2007).
  11. Arbeille, P., et al. Fetal tele‐echography using a robotic arm and a satellite link. Ultrasound in Obstetrics & Gynecology. 26 (3), 221-226 (2005).
  12. Vieyres, P., et al. A tele-operated robotic system for mobile tele-echography: The OTELO project. M-Health: Emerging Mobile Health Systems. Istepanian, R. H., Laxminarayan, S., Pattichis, C. S. , Boston, MA. 461-473 (2006).
  13. Abolmaesumi, P., Salcudean, S. E., Zhu, W. H., Sirouspour, M. R., DiMaio, S. P. Image-guided control of a robot for medical ultrasound. IEEE Transactions on Robotics and Automation. 18 (1), 11-23 (2002).
  14. Abolmaesumi, P., Salcudean, S., Zhu, W. Visual servoing for robot-assisted diagnostic ultrasound. Engineering in Medicine and Biology Society, Proceedings of the 22nd Annual International Conference of the IEEE. , Chicago, IL. (2000).
  15. Menikou, G., Yiallouras, C., Yiannakou, M., Damianou, C. MRI‐guided focused ultrasound robotic system for the treatment of bone cancer. The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery. 13 (1), e1753(2017).
  16. Yiallouras, C., et al. Three-axis MR-conditional robot for high-intensity focused ultrasound for treating prostate diseases transrectally. Journal of Therapeutic Ultrasound. 3 (1), 2(2015).
  17. AdEchoTech. MELODY, a remote, robotic ultrasound solution. , Available from: http://www.adechotech.com/products/ (2018).
  18. Essomba, T., et al. A specific performances comparative study of two spherical robots for tele-echography application. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. 228 (18), 3419-3429 (2014).
  19. Bassit, L. A. Structure mécanique à modules sphériques optimisées pour un robot médical de télé-échographie mobile. , Université d’Orléans. France. PhD thesis (2005).
  20. Noh, Y., et al. Multi-Axis force/torque sensor based on Simply-Supported beam and optoelectronics. Sensors. 16 (11), 1936(1936).
  21. Noh, Y., et al. An ergonomic handheld ultrasound probe providing contact forces and pose information. Engineering in Medicine and Biology Society, Proceedings of the 37th Annual International Conference of the IEEE. , Milan, Italy. (2015).
  22. Maplesoft. Translational Detent – MapleSim Help. , Available from: https://www.maplesoft.com/support/help/MapleSim/view.aspx?path=DrivelineComponentLibrary/translationalDetent (2018).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

3D

Похожие статьи